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中国航空发动机现状

2019-03-14 16:47:06报告大厅(www.chinabgao.com) 字号:T|T

  随着通用航空行业竞争的不断加剧,大型通用航空企业间并购整合与资本运作日趋频繁,国内优秀的通用航空生产企业越来越重视 对行业市场的研究,特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。以下是对中国航空发动机现状的分析:

  发动机性能指标与构造原理密切相关。 上文提到航空发动机核心性能指标包括推重比(功重比),取决于燃烧温度(即涡轮前温),涵道比影响发动机在不同飞行速度时的推进效率,进而影响耗油率(经济性指标)。提升发动机推重比需要提高燃烧温度。 燃烧温度越高,则燃气能量密度越高,推力越大。以我国 WS15(“峨眉”)和 WS10(“太行”)为例, WS10 涡轮前温 1400℃,推重比 8.1, WS15 涡轮前温 1570℃,推重比提高至 9.2。

  涡轮发动机最佳状态飞行速度与构造有关。 低速飞行时,依赖部件(风扇或者螺旋桨)压缩空气产生间接反推力的发动机推进效率较高,而在高速飞行时,主要利用喷气获得直接反推力的发动机推进效率较高。涡桨、高涵道比涡扇、低涵道比涡扇、涡喷发动机最佳工作效率时的飞行速度分别为 0.4、 0.7、 1 和 1.5 马赫左右。

  耗油率是涡轮发动机重要效率指标,与涵道比成明显负相关关系。由于动力涡轮将燃气内能基本完全转化为风扇机械能,排气速度较小, 因而能量损失较小,推进效率较高,耗油率较低。平均来看,军用低涵道比涡扇发动机 WS10 和 AL31 耗油率是民用高涵道比涡扇发动机 Trent 和 GE90 系列的 1.5~1.6 倍。

  发动机推重比、耗油率和适用速度决定其适用领域。 选择使用何种发动机主要考虑三方面因素,一是需要的推力有多大,即要看推重比; 二是需要考虑经济性,因此耗油率是重要指标;三是考虑在给定工作状态下的工作效率。

  数字化、精密化、 整体化成为航空发动机高端制造趋势。 现代航空发动机关键零件设计正向整体化、精细化方向发展, 借助数字控制对难加工材料高效切削成为航空发动机制造关键技术之一。 例如单晶空心涡轮叶片,既要控制合金晶体连续,又要在其内部设计复杂内腔用于进气冷却, 这需要极高超的精密铸造工艺。

  航空发动机是拿钱“烧”出来的。 与其说航空发动机是设计出来的,不如说是试验、 试飞出来的。 很多零部件需要大量、反复试验才能最终确定规格和标准,零部件匹配、整机协调更是需要试验、 试车, 因此需要耗费大量资金投入。很多试验是破坏性试验, 例如涡轮盘破裂试验,做完就需要报废, 因此研制需要大量资金支持和时间积累。

  与发动机高投入相匹配的是高回报。 航空发动机技术的高壁垒和高门槛是经济回报的有力保证,我们应发掘产业链溢出效应,支撑航空发动机持续研发。

  产业链附加值远高于其他制造业。 高涵道比涡扇发动机的产品附加值远高于汽车、造船、电器等行业, 按照产品单位重量创造的价值来计算, 如果计船舶为 1、那么汽车为 9、电视机为 50、电子计算机为 300、喷气式飞机为 800、航空发动机则高达 1400。

  航空发动机处于寡头垄断环境, 制造商可长期享受技术和产业链升级带来巨大价值回报。 发动机研发周期长达 15-20 年, 而在一台成熟的核心机上派生新机,周期只需要 3-5 年。一款核心机研制成功后,企业会充分挖掘其潜力,研究改进机型,世界上经典的核心机均衍生了几十种改进型,整个产品生命周期可以达到 30-40 年。与之相比,船舶、汽车制造的产品周期仅有 25 年和 10 年左右。

  高性能航空发动机研发周期有延长趋势。 航空发动机研发前期投入巨大,需要国家对产业的长期、稳定的投入。目前参照国际经验,一项新的发动机关键技术从开发到应用大约需要 15 至 20 年的时间,并且随着发动机性能提升,再想继续获得推重比更高、寿命更长的发动机,困难也进一步提高,因此代际越高,研发周期越长,第五代发动机研发周期在 15-20年,而第四代发动机在 10~15 年。

  中国预先研究起步较晚。 我国航空发动机预研开始于 20 世纪 80 年代,而那时国外已经形成成熟预研体系,但此后进行的系列预研项目使我国高性能航空发动机走上“技术预研-核心机-试验验证”的高速公路

  我国预研投入比重与美国相差较远。国外航空发动机研发经费占航空科研总经费的 35%, 其中型号(包括型号研发、技术基础、预先发展和后续工程发展) 与预研费各占科研费 50%;而我国预研经费占航空发动机研发经费比重相对偏低,我国航空发动机研发经费中预研只占25%左右。我国航空发动机研发经费中预研费约占 25%

  国内航发研发主要由研究院所承担。 早在 1989 年,航空航天工业部领导对航空动力在航空工业中的地位及其研制规律高瞻远瞩, 提出“振兴航空,动力先行,预研更要先行”的方针, 强调预研投入在航空发动机研发过程中的作用至关重要。 全球发动机制造大国研发基本在民营公司中进行,与此不同, 国内发动机预研项目和整机制造商均为国有企业或机构。

  国内发动机整机制造厂业绩与全球成熟厂商差距较大。 从收入上来说,与全球大厂商相比,我国航空发动机整机业务规模相对较小,2016 年 GE 航空业务收入规模达到 1761 亿元,而航发动力收入规模为 222 亿元,仅为 GE 航空业务的 13%。

  在发动机的制造上,既可以通过智能制造技术直接提高生产速度,又能使用智能算法优化生产线设计方案以达到最高的效率。中国航空发动机现状预研起步虽晚,但成效显著。

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